प्रतिपदार्थ कितनी आसानी से बनता है?

क्या प्रतिपदार्थ साधारण पदार्थ की तरह ही गिरता है? CERN के प्रतिप्रोटॉन मंदक AD/ELENA पर चल रहे प्रयोग प्रति-हाइड्रोजन के सहारे भौतिकी की मूलभूत सममितियों को परखते हैं: एक पॉज़िट्रॉन से बँधा एक प्रतिप्रोटॉन, यानी हाइड्रोजन परमाणु का दर्पण-प्रतिबिंब। इनमें से GBAR — “Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest” — को यह मापने के लिए बनाया गया है कि पृथ्वी के गुरुत्व में प्रति-हाइड्रोजन कितनी तेज़ी से त्वरित होता है।

GBAR का रास्ता असामान्य है। दूसरे प्रयोग एक ट्रैप में प्रतिप्रोटॉनों और पॉज़िट्रॉनों को मिलाकर प्रति-हाइड्रोजन बनाते हैं। इसके बजाय GBAR पॉज़िट्रोनियम (Ps) के साथ आवेश-विनिमय के दो चरणों की योजना बनाता है; पॉज़िट्रोनियम एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन से बना एक विचित्र परमाणु है:

1. p̄ + Ps → H̄ + e⁻: एक प्रतिप्रोटॉन पॉज़िट्रॉन को पकड़ लेता है और प्रति-हाइड्रोजन बन जाता है;
2. H̄ + Ps → H̄⁺ + e⁻: प्रति-हाइड्रोजन दूसरा पॉज़िट्रॉन पकड़ता है और एक धनात्मक आयन बन जाता है।

इस आयन को बेरिलियम आयनों से ठंडा किया जा सकता है, फिर एक लेज़र अतिरिक्त पॉज़िट्रॉन को अलग कर देता है, और लगभग 10 माइक्रोकेल्विन पर प्रति-हाइड्रोजन परमाणु बचते हैं — मुक्त-पतन प्रयोग के लिए पर्याप्त ठंडे।

संभावना जानना

सहयोगी टीम ने 2023 में ही दिखा दिया था कि चरण 1 अपनी निम्नतम अवस्था वाले पॉज़िट्रोनियम के साथ काम करता है। लेकिन वह यह नहीं बता सकी कि अभिक्रिया की संभावना कितनी है — एक राशि जिसे भौतिकविद अनुप्रस्थ काट (क्रॉस सेक्शन) कहते हैं, यानी वह प्रभावी लक्ष्य-क्षेत्रफल जिसे किसी प्रतिप्रोटॉन को भेदना होता है। इसके बिना कोई यह अनुमान नहीं लगा सकता कि पूरा प्रयोग कितने परमाणु बनाएगा।

साधारण पदार्थ के साथ इसके समतुल्य अभिक्रिया — एक प्रोटॉन का पॉज़िट्रॉन लेकर हाइड्रोजन बनना — सिर्फ़ एक बार मापी गई थी, 1997 में मेरिसन और उनके सहयोगियों द्वारा, 11 से 16 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट के बीच।

एक नन्ही गुहा में दो किरणें

2023 से टीम ने अपनी उत्पादन दर दस गुना बढ़ा ली है। एक ओर, एक छोटे त्वरक से आए पॉज़िट्रॉन ट्रैपों में जमा किए जाते हैं: हर दो मिनट पर होने वाले प्रतिप्रोटॉन के दो शॉट्स के बीच लगभग 30 करोड़। इनमें से लगभग 10 करोड़ एक ऐसी गुहा तक पहुँचते हैं जो लगभग 2 मिलीमीटर चौड़ी और 2 सेंटीमीटर लंबी है, और जिसकी दीवारों पर छिद्रिल सिलिका की परत है जो इनमें से कुछ को पॉज़िट्रोनियम में बदल देती है। हर शॉट लगभग 60 लाख पॉज़िट्रोनियम परमाणुओं का एक अर्ध-परिरुद्ध बादल छोड़ता है।

दूसरी ओर, ELENA 1.2 करोड़ प्रतिप्रोटॉनों के गुच्छे देता है। GBAR उन्हें धीमा करता है, ट्रैप में पकड़ता है, इलेक्ट्रॉनों से ठंडा करता है, फिर 50–60 लाख के गुच्छों को 4 या 6 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट पर गुहा के आर-पार दागता है, इस तरह समय मिलाकर कि वे पॉज़िट्रोनियम बादल को पार करें। बना हुआ कोई भी प्रति-हाइड्रोजन विद्युत रूप से उदासीन होता है: वह सीधा 1.6 मीटर आगे रखे एक संसूचक तक उड़ता है, जबकि बचे हुए प्रतिप्रोटॉन मोड़कर अलग कर दिए जाते हैं।

सैकड़ों प्रति-परमाणु, एक संख्या

पॉज़िट्रॉनों के साथ और उनके बिना हज़ारों शॉट्स की तुलना करके, संसूचक ने 6 keV पर 379 ± 35 और 4 keV पर 69 ± 19 प्रति-हाइड्रोजन परमाणु गिने — संसूचक की दक्षता के लिए सुधार के बाद लगभग 392 और 71। इसमें शामिल प्रतिप्रोटॉनों और पॉज़िट्रोनियम परमाणुओं की सावधानीपूर्ण गिनती, और दोनों स्पंदों के स्थान व समय में कितनी अच्छी तरह मेल खाने के आकलन को जोड़ने पर अनुप्रस्थ काट मिलता है:

• 6.2 keV पर (14.1 ± 1.3) × 10⁻¹⁶ cm²;
• 4.15 keV पर (8.7 ± 2.4) × 10⁻¹⁶ cm² (सांख्यिकीय अनिश्चितताएँ; व्यवस्थित अनिश्चितताएँ शोधपत्र में अलग से दी गई हैं)।

यह प्रतिप्रोटॉन किरणों से किया गया किसी आवेश-विनिमय अनुप्रस्थ काट का पहला मापन है, और इसकी अनिश्चितताएँ साधारण पदार्थ के साथ 1997 के मापन से कम हैं।

सिद्धांत परीक्षा में पास

तथाकथित बॉर्न सन्निकटन पर आधारित शुरुआती गणनाएँ आपस में मेल नहीं खाती थीं — लेखकों के अनुसार इसमें हैरानी की बात नहीं, क्योंकि 6 keV पर द्रव्यमान-केंद्र फ़्रेम में टक्कर की ऊर्जा सिर्फ़ लगभग 6.5 इलेक्ट्रॉनवोल्ट है। दो आधुनिक विधियाँ तीन पिंडों की पूरी क्वांटम समस्या हल करती हैं: कन्वर्जेंट क्लोज़ कपलिंग विधि और फ़ादेव–मेरकुरिएव समीकरण। ये आपस में मेल खाती हैं, और टीम के अनुसार नए आँकड़ों से “उत्कृष्ट सहमति” दिखाती हैं।

आगे: आयन, फिर पतन

यह अभी गुरुत्व का परीक्षण नहीं है। GBAR का अगला क़दम दूसरी अभिक्रिया को मापना है, जो प्रति-हाइड्रोजन आयन बनाती है, और इसकी शुरुआत ELENA से मिलने वाले ऋणात्मक हाइड्रोजन आयनों के साथ इसके साधारण-पदार्थ वाले समरूप से होगी। दोनों दरें मिलकर तय करेंगी कि प्रयोग कितने अति-ठंडे परमाणु गिरा सकता है — और इसलिए वह कितनी सटीकता से बता पाएगा कि प्रतिपदार्थ पदार्थ की तरह गिरता है या नहीं।